基于超低反射率光纤光栅的传感方法及其应用基础研究

The wavelength-division-multiplexing (WDM)technique is commonly used in fiber bragg grating (FBG)sensor array with high-reflectivity.The number of FBG sensors that can be accommodated in a WDM sensor system is limited by the bondwith of the system. On the other hand, a fiber grating sensor system with ultralow reflectivity in which optical-frequency-domain-reflectometry (OFDR) or time-division-multiplexing (TDM) techniques is employed allows over 1000 FBGs multilexed in series. In this project, we will study methods and techniques which is suitable for a sensor system based on identical ultralow-reflectivity fiber gratings. We propose improved structures for sensor system with OFDR and TDM techniques and hope to improve the system's performance. The main content of the project is listed as follows. (1) separating interference between FBG sensors in an OFDR system by polarization control method; (2) investigating a TDM network based on ultralow reflectivity chirped fiber gratings with linear filtering profile, and improving the signal to noise level by pseudorandom bit sequences coding and correlation detection. Ultralow-refrectivity fiber grating sensor systems take advantages from both FBG sensing technique and optical-time-domain-reflectometry (OTDR) sensing technique. The work in this project can provide an approach for optical fiber sensing, furthermore it is a new solution for safety monitoring under harsh conditions.

基于高反射率光纤布拉格光栅（FBG）的传感系统通常采用波分复用的方法，受光源带宽限制，单根光纤上能够复用的传感器只有数十个；而基于超低反射率光纤光栅（-35dB左右）的传感系统可采用光频域反射（OFDR）或时分复用（TDM）的方法，使单根光纤上能够复用的传感器超过1000个。本项目对基于超低反射率光纤光栅的传感方法与技术进行研究，提出新型OFDR和TDM系统结构，改善大容量光纤光栅传感系统的性能。研究内容包括；（1）通过偏振控制来分离OFDR系统中各个传感器之间干涉方法（2）采用线性形状反射率分布的啁啾光纤光栅作为TDM系统的传感单元，并通过伪随机编码和相关检测来提高系统的信噪比的方法与技术。超低反射率光纤光栅传感系统结合了光纤光栅传感和光时域反射（OTDR）传感的优点，本项目一方面可为光纤传感的研究提供新的方法和思路，另一方面为恶劣环境下重大工程和装备的安全监测提供新的解决方案。

目前大多数光纤光栅传感系统采用波分复用的方式，受光源带宽限制，单根光纤上的传感器数量最多只有数十个，在大规模、网络化应用中受到限制。为了提高光纤光栅传感系统的容量，本项目以基于以超低反射率光纤光栅（-35dB以下）作为传感单元的传感网络为研究对象，研究其复用方法和信号解调方法，以实现单根光纤上复用光纤光栅传感器数量超过1000个的大规模传感。在研究中，通过基于光纤拉丝塔的在线刻写方法制作了反射率为-40dB左右的光纤光栅阵列，具有很好的波长一致性和反射率一致性；分析了光纤光栅阵列中的多次反射导致的串扰与光谱阴影效应，并计算了这些因素与复用数量以及测量精度之间的量化关系；提出了基于相敏查询的超低反射率光纤光栅阵列波长解调方法，通过实验证实了该方法的可行性，在具有相同中心波长的光纤光栅阵列中，该方法可以将不同位置的光纤光栅区分出来并获取它们的光谱特性，通过基于现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的控制逻辑与算法，实现了每秒钟检测8000个光纤光栅的解调速度；通过波分/时分混合复用的方法首次实现了在单根光纤上复用2000个光纤光栅传感器，并将其应用于温度测量，波长的漂移量与温度变化成良好的线性关系，波长分辨率达到1pm；基于上述解调系统，实现了超低反射率光纤光栅阵列的反射率在线测量，可在光纤光栅的生产过程中进行品质监测。超低反射率光纤光栅传感系统结合了光纤光栅传感和光时域反射（OTDR）传感的优点，本项目一方面可为光纤传感的研究提供新的方法和思路，另一方面为恶劣环境下重大工程和装备的安全监测提供新的解决方案。